DS10 - Défi des autres savoirs

Modification des gerbes partoniques dans le plasma de quarks et de gluons – HotShowers

Hot Showers

Modification des gerbes partoniques dans le plasma des quarks et des gluons <br />Nous explorons la production et la modification de jets QCD dans les collisions d'ions lourds. Dans de telles collisions, un état de matière dit plasma quark-gluon (QGP) se forme. Les partons (quarks et gluons) subissent une perte d'énergie lorsqu'ils traversent le QGP. En examinant ces jets, nous apprenons les propriétés de la matière déconfinée, telles qu'elles existaient dans l'Univers primordial.

Objectifs et enjeux

L'objectif principal est d'explorer comment la trempe du jet dépend de la saveur du parton qui initie le jet. Cette dépendance donne un aperçu de la dynamique de la perte d'énergie parton. Par exemple, on pense que la masse du quark a un impact sur la mesure dans laquelle les processus de collision dominent en ce qui concerne la perte d'énergie via le gluon bremmstrahlung. <br /> <br />Cet objectif est poursuivi via trois types de mesures: <br /> <br />1) Mesure de la fragmentation des jets contenant un méson J / Psi. Le J / Psi est un état lié d'un charme et de quarks anti-charme. La découverte du J / Psi a été l'un des principaux éléments de preuve du modèle de parton. Cependant, malgré des décennies d'études, sa production est mal connue. La mesure de la fragmentation des jets contenant du J / Psi donne un aperçu supplémentaire de la dynamique de production, notamment en démontrant qu'une grande partie du J / Psi est produite à l'intérieur des douches parton. La mesure correspondante en ions lourds (en cours de finalisation) montre comment le refroidissement par jet joue un rôle dans la phénoménologie de la quarkonia, qui n'avait pas été reconnu. <br /> <br />2) Mesures des jets marqués b: La dépendance à la saveur de la trempe au jet peut être testée directement en identifiant les jets initiés par les quarks b. Ici, l'objectif est de comparer la modification nucléaire des spectres des jets avec des jets inclusifs, et également d'étudier la dépendance au paramètre du jet R. <br /> <br />3) Mesures du quark top: le quark top se désintègre trop rapidement pour interagir avec le plasma quark-gluon. Cependant, les quarks b produits lors de sa désintégration subissent une trempe. Finalement, les mesures des quarks supérieurs boostés serviront de chronomètre du QGP en scannant à travers différentes durées de vie du quark supérieur. Pour le moment, nous nous concentrons sur la première observation de cette nouvelle sonde, qui deviendra utile pour des mesures précises à l'avenir.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour identifier les jets provenant de la fragmentation des quarks lourds.
Le premier est le b-jet tagging, une méthode utilisée dans toute la physique des hautes énergies. Le b-tagging repose principalement sur la longue durée de vie des hadrons contenant un b-quark. Ces particules parcourent une distance mesurable avant de se désintégrer, conduisant à des traces de particules chargées qui pointent vers un sommet de désintégration distinct. La présence de muons à l'intérieur des jets est également utilisée pour distinguer les jets à saveur lourde et les jets à saveur légère. Des méthodes impliquant l'inversion des variables de marquage et l'utilisation de plusieurs algorithmes de marquage sont utilisées pour déterminer l'efficacité et la pureté du marquage b directement à partir des données.
Le deuxième ensemble de méthodes tourne autour des pics des résonances, dans ce cas le méson J/Psi. Une stratégie d'ajustement bidimensionnel est utilisée pour ajuster la distribution invariante de la masse et de la durée de vie des paires de dimuons. Cela nous permet de séparer les mésons J/Psi des autres sources, et également de séparer les mésons J/Psi produits directement («prompt«) de ceux des désintégrations de b-hadrons («nonprompt«). L'efficacité de la reconstruction et de l'identification des muons est évaluée directement à partir des données à l'aide de la technique dite des marqueurs et sondes.
Un troisième ensemble de méthodes s'articule autour de l'identification d'électrons isolés des désintégrations de bosons W, pour la reconstruction des désintégrations leptoniques des quarks supérieurs. Des méthodes multivariées sont utilisées pour sélectionner des électrons issus de milieux hadroniques. La méthode d'étiquette et de sonde utilisant les diélectrons des désintégrations de bosons Z est utilisée pour obtenir l'efficacité de reconstruction et d'identification directement à partir des données.

Nous avons produit un certain nombre de nouveaux résultats. Le premier ensemble de résultats concerne la production de J/Psi en jets. Une première série de résultats préliminaires a montré que les modèles sous-estiment la quantité de production de hadrons accompagnant les mésons J/Psi rapides dans les collisions pp. Cela a des conséquences pour la phénoménologie des mésons JPsi dans les collisions d'ions lourds, où les paires de quarks de charme sont connues pour se dissocier en raison de l'effet de criblage Debye du plasma environnant. Nos résultats suggèrent que J/Psi peut également se former tard dans une douche à partons, auquel cas la trempe du jet dans le plasma quark-gluon doit également être prise en compte. Nous sommes en train de finaliser un deuxième ensemble de résultats qui étudiera la modification de ces jets J/Psi dans les collisions d'ions lourds, pour étudier la dépendance de la trempe sur le modèle de fragmentation du jet.

Un autre résultat nouveau est la première preuve de la production de quark top dans les collisions d'ions lourds. Nous voyons un signal dans les canaux de désintégration leptonique avec une signification d'environ 4 sigma. Ce résultat est sur le point d'être soumis à Nature Physics.

Enfin, nous travaillons sur une mesure de la production de b-jet, qui devrait être dévoilée pour la prochaine série de conférences sur les ions lourds.

Le projet ouvre de nouvelles observables liées aux jets de quarks lourds qui pourront être explorées plus avant dans les futures données de haute luminosité avec le LHC, ainsi que dans d'autres installations de collisionneurs.

HotShowers concerne l'étude d'un nouvel état de la matière : le plasma quark-gluon (PQG), grâce aux collisions d'ions lourds réalisées au Large Hadron Collider (LHC) avec le détecteur "Compact Muon Solenoid" (CMS). Plus spécifiquement, le projet vise à étudier le phénomène de « jet quenching », dans lequel les partons perdent de l'énergie en traversant le PQG.
Le Run 1 du LHC a révélé les premières mesures des jets entièrement reconstruites en ions lourds. Les grandes asymétries des dijets observées à partir des premières données Pb-Pb sont parmi les résultats les plus salués du LHC à ce jour, et ont stimulé une multitude de développements théoriques.
Malgré ces progrès, une modélisation précise de la perte d’énergie des partons, de façon fiable dans les générateurs Monte Carlo, n'a pas encore été réalisée. Elle nécessite différentes mesures pour lever les dernières ambiguïtés qui subsistent du côté théorique. Une des questions restantes les plus importantes est la dépendance de la perte d'énergie en fonction de la saveur du parton initial. Ce projet vise à répondre à cette question essentielle en utilisant des jets de quarks massifs, dont l’intérêt est double: 1) En se basant sur la nature non-abélienne de QCD, on peut s'attendre à ce que les jets de quarks perdent moins d’énergie que les jets de gluons. Cette dépendance de la saveur, qui n'a pas encore été directement observée, peut dépendre des détails du modèle (par exemple, modèles de couplage fort versus couplage faible). 2) Le rayonnement des quarks massifs est amorti dans la direction de propagation. Cela peut conduire à la réduction de la perte de l’énergie radiative dans le PQG, en particulier pour des énergies proche de la masse du quark.
Pour la première fois, le Run 2 du LHC permet des études de précision de jets de quarks lourds dans les collisions Pb-Pb. Bien que ces jets ont longtemps étaient un outil standard du physicien des hautes énergies, la première mesure de ces jets de quarks lourds en ions lourds a été récemment réalisée, à savoir une mesure du facteur de modification nucléaire des jets b dans des collisions Pb-Pb. Bien que cette mesure ait déjà exclu une dépendance importante à une grande impulsion transverse, elle est limitée par les incertitudes inhérentes aux mesures de spectres de jets, ainsi que par un bruit de fond irréductible provenant de la fragmentation colinéaire de gluons en paires de quarks lourds en l’état final. HotShowers vise à combler ces lacunes en utilisant des corrélations de jets b produits dos-à-dos, qui a) réduisent considérablement la sensibilité aux effets systématiques telle que l’échelle absolue d’énergie de jet et b) à éliminer en grande partie la contamination des jets de gluons.
Ces mesures seront complétées par des études phénoménologiques qui étudieront la sensibilité des observables de saveur lourdes à la perte d’énergie des partons.
Comme les mesures des jet quenching deviennent de plus en plus précises, il devient en conséquence nécessaire de contraindre les effets de la matière nucléaire froide, accessibles par les collisions p-Pb, qui sont prévues pour la fin 2016. Les paires de jets b fourniront une sensibilité accrue à la distribution des gluons dans les noyaux car ils sont produits presque exclusivement par la fusion de gluons. Nous prévoyons en outre une mesure de jets de saveur lourde corrélée de photons prompts. Cette mesure ouvrira la voie à une mesure précise dans ce canal en Pb-Pb dans le Run 3 qui permettra une estimation directe de la perte d’énergie des quarks lourds pour le charme et le beauté.
Pour atteindre nos objectifs, l'équipe dirigera ses efforts vers le développement des algorithmes pour le nouveau détecteur pixel qui sera installé pour le run Pb-Pb en 2018. Enfin, l'interprétation de nos mesures sera complétée par des études phénoménologiques, qui étudiera la sensibilité des observables de saveur lourdes aux effets de matières nucléaires froides et chaudes.


Coordinateur du projet

Monsieur Matthew Nguyen (Laboratoire Leprince Ringuet)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LLR Laboratoire Leprince Ringuet

Aide de l'ANR 429 937 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 48 Mois

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